تست سختی

نحوه انجام تست سختی

ایندنتور متناسب با استاندارد انتخاب می شود و روی دستگاه سختي سنجي قرار می گیرد. نمونه نیز زیر ایندنتور و روی دستگاه سختی سنجی قرار می گیرد. توسط دوربین دستگاه، محل دقیق انجام تست انتخاب می شود. با شروع تست، دوربین جای خود را به ایندنتور می دهد. همزمان با استارت دستگاه، فشار اعمال می شود و تغییر شکل به صورت موضعی روی سطح نمونه اتفاق می افتد.

ابعاد محل تغییر شکل به کمک دوربین اندازه گیری می شود. با استفاده از فرمول هایی که برای هر استاندارد وجود دارد، عددهای خام حاصل از دستگاه، تبدیل به عدد سختی می شود.

انواع مکانیسم های آزمون سختی

تست سختی سنجی به صورت کلی بر مبنای سه مکانیسم خراش، فرورفتگی و برگشت (حرکت ارتجاعی) انجام می شود. در هر یک از این روش ‌های اندازه‌ گیری، مقیاس‌های اندازه‌ گیری جداگانه وجود دارد. به دلایل عملی، از جداول تبدیل برای تبدیل یک مقیاس به مقیاس دیگر استفاده می شود.

سختی خراش

سختی خراش نشان دهنده میزان مقاومت یک نمونه در برابر شکستگی یا تغییر شکل دائمی پلاستیک در اثر اصطکاک یک جسم تیز است. اصل این روش، خراش جسم نرم تر توسط جسم سخت تر است. هنگام آزمایش انواع پوشش هایی که به روش های مختلف مانند آبکاری پوشش دهی می شوند، سختی خراش به نیروی لازم برای برش فیلم روی زیرلایه اشاره دارد. رایج ترین آزمون، مقیاس موهس (Mohs) است که در کانی شناسی استفاده می شود. یکی از ابزارهای انجام این اندازه گیری، اسکِلرومتر (Sclerometer) است.

سختی تورفتگی

سختی فرورفتگی مقاومت نمونه را در برابر تغییر شکل مواد به دلیل بار فشاری ثابت از یک جسم تیز اندازه گیری می کند. آزمایش سختی فرورفتگی عمدتاً در مهندسی متالورژی استفاده می ‌شود. آزمایش‌ها بر اساس فرض اصلی اندازه‌گیری ابعاد بحرانی یک فرورفتگی که توسط یک فرورونده با ابعاد خاص و بارگذاری شده ایجاد می‌شود، انجام می گیرند. مقیاس های سختی فرورفتگی متداول شامل Rockwell ، Vickers ، Shore و Brinell هستند.

سختی برگشت

سختی برگشتی که به عنوان سختی دینامیک نیز شناخته می شود، ارتفاع “جهش” چکش با نوک الماس را که از یک ارتفاع ثابت روی یک ماده رها می شود، اندازه گیری می کند. این نوع سختی با خاصیت ارتجاعی مرتبط است. دستگاه مورد استفاده برای انجام این اندازه گیری به عنوان اسکلروسکوپ (scleroscope) شناخته می شود. دو مقیاسی که سختی برگشتی را اندازه گیری می کنند، آزمون سختی برگشتی لیب (Leeb) و مقیاس سختی بنت (Bennett) هستند.

انواع روش های تست سختی سنجی

دسته بندی روش های تست سختي به صورت جزئی تر، به شرح ذیل می باشد

تست سختی راکول ، برینل ، ویکرز ، تست اسکلروسکوپ shore، تست سختی سنجی نوپ ، تست سختی MOH و آزمایش سختی Barcol

در ادامه سختي سنجي های نام برده شده را توضیح می دهیم:

سختی سنجی راکول

این روش تست سختی سنجی معمولا بیشتر از سایر روش ها استفاده می شود. در این روش، تست سختي توسط فرو رفتن جسم مخروطی الماسی یا فرو رفتن ساچمه با قطرهای مختلف انجام می شود. در سختی راکول نمونه در تماس با فرورونده قرار می گیرد و نیرویی به مدت 4 تا 7 ثانیه به آن اعمال می شود. سپس بار برداشته شده و عدد سختی خوانده می شود که متناسب با عمق فرورونده می باشد.

سرعت سختی در این روش بالا است، چرا که عدد سختی مستقیما از صفحه نمایش خوانده می شود و نیازی به محاسبه ندارد. چون این روش نیاز به دخالت اپراتور ندارد، خطا بسیار کم یا حذف می شود. همچنین این روش نیاز به آماده سازی چندانی ندارد و لازم نیست قطعه کاملا پولیش شود و آیینه ای باشد. اما این روش محدودیت هایی نیز دارد. از آن جایی که در این روش نیرو بالاست، در آزمون سختی قطعات نرم و نازک، ضعیف عمل می کند.

عدد سختی راکول با توجه به مقیاس آن به صورت HRA، HRB و HRC است. در نوع A بار اعمالی 60 کیلوگرم، نوع B به اندازه 100 کیلوگرم و نوع C به اندازه 150 کیلوگرم است.

تست سختی سنجی برینل

در این روش برای انجام آزمایش سختی ، از یک ساچمه از جنس فولاد و یا تنگستن کاربید به قطر 10 میلی متر برای اعمال نیرو استفاده می شود. مدت زمان نیروی وارده، 10 تا 30 ثانیه است. در این روش، نیروی اعمالی برای فلزات سخت، 3000 کیلوگرم، فلزاتی با سختی متوسط، 1500 کیلوگرم و مواد نرم 500 کیلوگرم می باشد. عدد سختی برینل که به صورت BHN خلاصه می شود، برابر نیرو یا بار اعمالی تقسیم بر مساحت سطح فرورفته شده می باشد. هر چه عدد برینل بیشتر باشد، فلز سخت تر است. این روش سختی سنجی بیشتر برای موادی که از فولاد کربن متوسط، فولاد کم کربن، آلومینیوم و مس ساخته شده اند، مناسب می باشد.

فرمول دقیق محاسبه سختی در روش برینل به صورت زیر می باشد

BHN=2P/П(D-󠅙(D²-d²)^1/2)

که در آن، P بار اعمالی، D قطر ساچمه، d قطر فرورفتگی و BHN عدد برینل می باشد.

آزمون سختی ویکرز

در این روش نیروی اعمالی به جسم توسط یک هرم با قاعده مربع می باشد. زاویه نوک این هرم، 136 درجه است. نیرو، به مدت 10 تا 15 ثانیه اعمال می شود. سخت ترین تا نرم ترین فلزات را می توان با استفاده از این روش، سختی سنجی کرد. از محدودیت های این روش این است که اگر ایندنتور دستگاه سختی سنجی کاملا روی نمونه عمود نباشد، اثر نیروی فرورونده، مربع نخواهد بود. همچنین دقت سختی اندازه گیری شده به درست خواندن قطر اثر به جا مانده مربوط می باشد.

فرمول محاسبه سختی ویکرز به صورت زیر می باشد

 P/d²× 18544 = سختی ویکرز

که در آن، P نیروی وارده و d متوسط قطر علامت تشکیل شده روی سطح برحسب میلی متر است. این نوع تست سختی سنجی بیشتر برای موادی که از کربن بالا، کاربید سیلیکون، کاربید تنگستن و غیره ساخته شده اند، استفاده می شود.

تست سختی سنجی SHORE

در این روش تست سختی ، از یک چکس الماسی استفاده می شود که از ارتفاع معینی روی فلز انداخته می شود. هرم الماسی پس از برخورد به صفحه به طرف بالا بازمی گردد. سختی نهایی بر اساس ارتفاع بازگشت گزارش می شود. هر چه ارتفاع بازگشت چکش بالاتر باشد، سختی قطعه بیشتر است. زیرا اگر قطعه نرم باشد، انرژی چکش صرف تغییر شکل قطعه شده و با نیروی کمتری بازمی گردد.

آزمون سختی Barcol

این تست سختی سنجی بیشتر برای پلیمرهای سخت و پلیمرهای ترموست استفاده می شود. در این روش، نمونه زیر دهانه سختی سنج Barcol قرار می گیرد. فشار یکنواختی به نمونه اعمال می شود تا زمانی که عقربه نشانگر دستگاه سختی سنجی به حداکثر برسد. عمق نفوذ، به اعداد Barcol مطلق تبدیل می شوند.

تست سختی نوپ (knoop)

این روش در دسته روش های تست سختي میکرو طبقه بندی می شود. تست سختی نوپ بیشتر برای فلزات بسیار شکننده و نازک و همچنین برای مواد میکروسایز مانند کارت حافظه و سیم کارت استفاده می شود. هرم الماس به عنوان ایندنتور برای اعمال نیرو به کار می رود.

 فرمول محاسبه سختی با استفاده از تست سختی نوپ به صورت زیر است

HK = 14.2 × P/d

که در این فرمول، P بار و یا نیروی اعمالی، d متوسط قطر علامت ایجاد شده روی نمونه و HK عدد سختی نوپ است. در این روش، اثر به جای مانده، به شکل لوزی می باشد.

آزمایش سختی MOH

این روش، یک تست سختی سنجی کیفی است که به عنوان تست خراش نیز شناخته می شود. تست سختی MOH، بدون هیچ گونه عدد کمی، سختی را فقط با خراش انداختن روی سطح نمونه اندازه گیری می کند. این آزمون، برای موادی به کار می رود که سنجش سختی آن ها توسط روش های دیگر امکانپذیر نیست.

عوامل موثر بر تست سختی

تعدادی از عوامل بر نتایج تست سختي سنجي تاثیر می گذارد. به عنوان یک قاعده کلی، هرچه بار کمتری در آزمایش سختی استفاده کنید، عوامل بیشتری باید کنترل شوند تا از نتیجه گیری دقیق تست سختی اطمینان حاصل شود.

چند مورد از مهم ترین عواملی که برای اطمینان از نتیجه گیری دقیق از تست سختی باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از:

عوامل خارجی مانند نور، آلودگی، ارتعاشات، دما و رطوبت باید کنترل شوند.

دستگاه سختی سنجی باید روی یک میز افقی محکم، فیکس شود و نمونه باید در یک نگهدارنده قرار گیرد یا توسط یک گیره نگه داشته شود.

فرورفتگی باید عمود بر سطح آزمایش شده باشد.

هنگام استفاده از دستگاه های سختی سنجی Vickers ، Knoop یا Brinell تنظیمات روشنایی باید در طول آزمایش ثابت باشد.

خدمات سختی سنجی

قبل از تحویل نمونه برای انجام خدمات سختی سنجی ، نمونه باید آماده سازی شود. شرایط سطح، به نوع تست مورد نظر و بار اعمال شده بستگی دارد. به طور کلی، کیفیت آماده سازی سطح، بر نتیجه تست تاثیر مستقیم دارد. در مورد خدمات سختی سنجی ماکرو ، سطح اولیه معمولا کافی است و نیاز به آماده سازی چندانی نمی باشد. اما در مورد آزمون میکروسختی ، خدمات سختی سنجی در بارهای اعمالی کمتری انجام می شود. بنابراین به یک سطح صیقلی پولیش شده و یا الکتروپولیش شده نیاز است.

 لازم است مرزها و لبه های نمونه به طور کامل قابل مشاهده باشند. این کار می تواند توسط روش های مکانیکی، شیمیایی و یا الکتروشیمیایی انجام شود. اما چیزی که باید در نظر گرفت این است که گرمایش و یا سرمایش، خواص نمونه را تغییر ندهد.

هزینه تست سختی

هزینه تست سختی تحت تاثیر عواملی مانند نوع تست، مقدار نیروی اعمالی، تعداد نقاط نمونه ها و غیره می باشد. از آن جایی که سختی در همه قسمت های یک نمونه ممکن است یکسان نباشد، برای اطمینان از میزان سختی نمونه و گزارش داده های دقیق، نیاز است که روی چندین قسمت یک نمونه، تست سختی سنجی انجام شود. در نتیجه این مورد می تواند روی هزینه تست سختی تاثیر بگذارد. اما در حالت کلی، هزینه تست سختی مناسب بوده و انجام آن سریع می باشد در نتیجه با توجه به نوع نمونه می توان از انواع روش های تست سختی استفاده کرد.

تست کوانتومتری اسپکتروسکوپی جذب اتمی طیف سنجی نشر اتمی آنالیز XRD آنالیز XRF